利用传感器实验探究:电路中滑动变阻器的选择

2020-09-14 12:23:19 中学理科园地 2020年4期

黄瑞香

摘   要:在高中的电学实验中,如何正确选取滑动变阻器,既要有理论知识又要有实践经验,是学生应该掌握的基本技能,也是教学中的难点。但是由于传统上实验所用的电流表和电压表灵敏度不够,实验很难获得多组数据,处理数据困难,且整个实验需要花费较多的时间,所以在课堂上学生往往无法从实验中得到很好的收获。本文利用DISlab软件、电压传感器和电流传感器,实现让学生通过实验来探究限流电路和分压电路中滑动变阻器的选择。

关键词:传感器;滑动变阻器;实验

根据理论知识可知,在限流电路中,为使得负载电阻能得到较大的电流调节范围,又能使电流均匀地变化,则滑动变阻器的总电阻大小一般是负载电阻的2-5倍;在分压电路中,滑动变阻器的总电阻要求小于负载电阻,但滑动变阻器的总电阻也不是越小越好,因为滑动变阻器的总电阻很小时,通过滑动变阻器的电流远大于负载上的电流,电能主要消耗在滑动变阻器上,所以滑动变阻器的总电阻一般为负载电阻的0.1-0.5倍[ 1 ]。鉴于实验室所具备的器材,本文实验所采用的三种滑动变阻器,其总阻值别为:5Ω、20Ω和200Ω,负载电阻约为10Ω。

1  实验目的

(1)通过实验探究,让学生体会如何选择限流电路和分压电路中滑动变阻器;

(2)学会观察数据的变化;

(3)了解数据处理方法以及将实验数据进行拟合的方法,并且能理解线性拟合方程中斜率所代表的物理含义。

2  实验器材

数字万用表、电脑、DISlab软件、电压传感器、电流传感器、滑动变阻器(总阻值分别为5Ω、20Ω和200Ω)、负载电阻(阻值约为10Ω)、开关和导线。(所用器材如图1所示)

3  实验原理图

4  实验步骤

(1)用数字万用表测出负载电阻的阻值,并记录,如图4。

(2)为了使学生在实验过程中能较均匀地移动滑动变阻器,则将三种不同的滑动变阻器分别用贴纸做九等分标签,如图5所示。

(3)按电路图2,先将总阻值为5Ω的滑动变阻器连入电路,其中电压表、电流表采用电压传感器和电流传感器,并通过数据线与电脑连接。

(4)打开DISlab软件,点击“通用软件”,便可看到电压、电流的读数界面;点击“计算表格”,闭合开关,将滑动变阻器滑片移至标签处,点击软件中的“手动记录”,便在表格中记录下一组数据;为了获得多组数据,实验中可让学生先从左到右根据标签移动滑动变阻器的滑片,再从右到左以标签的中间位置作为测量点移动滑片。

(5)断开开关,点击“绘图”,将电压U设置为y轴,电流I设置为x轴,软件将自动把所测量的数据描绘在坐标轴中,点击“拟合-直线(一次函数)”,得到拟合直线和拟合方程,记录下拟合方程。

(6)更换不同总电阻的滑动变阻器,重复4、5步骤。

(7)按照图3电路连接电路,重复上述过程。

5  实验数据

(1)负载电阻Rx=9.6Ω。

(2)在限流电路中,连接总电阻R不同的滑动变阻器,所测得负载电阻两端的电压以及通过的电流值,如表1。

(3)在分压电路中,连接总电阻R不同的滑动变阻器,所测得负载电阻两端的电压以及通过的电流值,如表2。

6  数据处理

由软件自带的绘图和拟合方程功能得到的结果,如图6和图7所示,其中图6为限流电路的实验结果,图7为分压电路的实验结果。

7  实验结果分析

(1)在限流电路中,观察表1中的数据和图6中的图线,可发现:采用总电阻R=5Ω的滑动变阻器,负载电阻两端的电压和电流变化范围不大,坐标中绘制的点比较集中在图象上方;采用总电阻R=200Ω的滑动变阻器。 负载电阻两端的电压和电流会发生突变,从I=0.26A,U=2.64V,一下变到I=0.10A,U=1.07V,之后数据变化又不明显,所描的点大多数集中在图象下方;采用总电阻R=20Ω的滑动变阻器,测量过程中,负载电阻两端的电压和电流值均可均匀地变化,且变化范围较大,描出的点能均匀地分布在图线上。由此可见,在本实验中,在负载电阻为Rx=9.6Ω的情况下,采用滑动变阻器的总电阻约为负载电阻2倍的效果比其余两种情况要好。

(2)通过软件处理,得到的线性拟合方程中斜率所代表的物理意义为负载电阻Rx的阻值;在限流电路中,可发现滑动变阻器的总阻值越大,所得到的负载电阻的阻值越小,这是由于负载电阻的金属热效应所致。

(3)在分压电路中,观察表2中的数据和图7中的图线,可发现:采用总电阻R=200Ω, 负载电阻两端的电压和电流也会发生突变,从I=0.26A,U=2.54V,一下变到I=0.09A,U=0.87V,之后数据变化也不明显,所描的点大多数集中在图象下方;采用R=5Ω,R=20Ω这两种滑动变阻器, 负载电阻两端的电压和电流值都能均匀的变化,且变化范围较大,描出的点都能均匀地分布在图线上;由线性拟合方程可得:采用R=5Ω的滑动变阻器,所测负载电阻的阻值Rx=9.6101Ω, 采用R=20Ω的滑动变阻器,所测负载电阻的阻值Rx=9.6601Ω;比较两者数据,可知采用R=5Ω的滑动变阻器,所測得负载电阻的数值更接近负载电阻的真实值,这是由于分压电路中滑动变阻器的分流作用以及金属的热效应。综合考虑,在分压电路中,选择滑动变阻器的总阻值小于负载电阻阻值,效果较好。

(4)比较限流电路和分压电路的线性拟合方程,限流电路得到负载电阻的阻值要比分压电路的大,原因是分压电路的分流作用,导致通过负载电阻的电流较小,以及金属的热效应。

(5) 比较限流电路和分压电路所测得的数据(表1和表2),可发现限流电路中,电压、电流值最小值不为0;而分压电路中,负载电阻两端的电压和电流值最小值为0。

8  总结

本实验设计的目的是为了让学生能在课堂上体会在分压电路和限流电路中如何选择滑动变阻器。传感器能快速、灵敏地测出电压和电流,克服了传统电流表和电压表的不足,节省了实验的时间,实现了学生能在课堂上完成实验的目的;通过软件,能方便记录实验数据以及绘制图象处理数据,给出线性拟合方程,这能让学生了解如何处理数据,及时地、更加感观地比较实验结果,从而可进一步引导学生思考造成实验结果差异的原因,有利于加深学生对两种电路的理解和对实验中如何选择滑动变阻器有更深入的认识。该实验也让学生体会到现代化技术设备给物理实验探究带来了巨大的便利。

参考文献:

[1]汪建月,黄振平.分压电路和限流电路对滑动变阻器的选择[J].生数理化,2012(5).